SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA – UNISOCIESC

INSTITUTO SUPERIOR TUPY

FAGNER CASAGRANDE

GIOVANE KNIESS

ROSANA CARVALHO

SIDNEI METZNER

USINABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO AISI 304

Joinville

2014/2

1 AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO

Os aços inoxidáveis são ligas de ferro, carbono e cromo com um mínimo de

10,50% de Cr, podendo conter também níquel, molibdénio e outros elementos,

sendo o Cr considerado o mais importante porque dá aos aços inoxidáveis uma

elevada resistência à corrosão e à oxidação. (ArcelorMittal, 2008, pg. 7)

O cromo reage com bastante facilidade com o oxigênio do ambiente,

possibilitando a formação de filmes de óxidos na superfície dos aços que protegem a

liga de ataques, oferecendo uma propriedade não corrosiva ao metal. (ArcelorMittal,

2008, pg. 9)

Os aços inoxidáveis austeníticos formam o maior grupo de aços inoxidáveis

em uso, representando cerca de 65 a 70% do total produzido. São ligas à base de

ferro, cromo (16-30%), níquel (8-35%) e menos de 0,30% de carbono, tendo

excelente resistência à corrosão, elevada tenacidade e boa soldabilidade. A adição

de níquel permite a estabilização da austenita na temperatura ambiente, por isso são

chamados de austeníticos. A estrutura austenítica os torna especialmente

interessantes tanto para aplicações criogênicas (por não sofrerem transição dúctil-

frágil) como para aplicações à temperatura elevada, devido as altas resistências ao

amolecimento e à deformação a quente. (Chiaverini, 1998, pg. 387 e Silva, 2006, pg.

417)

1.1 AÇO AISI 304

O aço 304 é um aço inoxidável austenítico e como os aços inoxidáveis

austeníticos são muito difíceis de usinar, este é um dos mais utilizados na usinagem.

Sua composição química é formada por altos teores de Cromo e Níquel o que lhe

permite uma boa resistência ao desgaste e à corrosão.

Abaixo a composição química de um aço 304.

Tabela 1 – Composição química do aço 304.

Classe C (%) Mn (%) P (%) S (%) Si (%) Ni (%) Cr (%)

304 0,08 0,50-2,0 0,040 0,040 0,20 -1,5 8,0 – 12,0 17,0-21,0

Fonte: Steel Casting Handbook, 1999.

A ASTM Metals Handbook emprega as seguintes propriedades mecânicas ao

aço 304 a temperatura ambiente (24°C).

Tabela 2 – Propriedades mecânicas do aço 304.

Classe Resistencia a

Tração (Mpa)

Limite de Escoamento

(Mpa)

Alongamento

(%)

Redução de

área (%)

304 480 220 26 40

Fonte: ASTM Metals Handbook, 1999.

O aço 304 tem como aplicações: utensílios domésticos; fins estruturais;

equipamentos para indústria química e naval; indústria farmacêutica; indústria têxtil;

indústria de papel e celulose; refinaria de petróleo; permutadores de calor; válvulas e

peças de tubulações; indústria frigorífica; instalações criogênicas; depósitos de

cerveja; tanques de fermentação de cerveja; equipamentos para refino de produtos

de milho; equipamentos para leiteria; cúpula para casa de reator de usina nuclear;

tubos de vapor; condutores de águas pluviais; calhas.

1.2 USINABILIDADE DOS AÇOS INOXIDÁVEIS AUSTENÍTICOS E DO AÇO AISI

304

A usinabilidade não se refere a uma única propriedade do material, mas sim

um sistema de propriedades dependentes de interações complexas e dinâmicas

entre os materiais da peça e da ferramenta, do fluido e das condições de corte. Um

aumento da usinabilidade está relacionado com as seguintes características:

aumento vida útil da ferramenta de corte; maior taxa de remoção do material

usinado; melhor acabamento superficial; melhor controle na formação do cavaco;

diminuição das forças de corte. (Camargo, 2008, pg. 14)

Os aços inoxidáveis apresentam pior usinabilidade que os aços comuns e

diferem dependendo dos elementos de liga, tratamento térmico e processo de

fabricação (forjado, fundido etc.). Em geral, a usinabilidade piora à medida que o

teor de elementos de liga aumenta nesses aços, porém existem outros fatores que

exercem grande influência na usinabilidade, tais como o limite de resistência à

tração, taxa de encruabilidade e ductilidade; a usinabilidade piora a medida que

esses fatores são maiores. (Infomet)

A baixa usinabilidade dos inoxidáveis austeníticos se dá principalmente à alta

taxa de encruamento e baixa condutibilidade térmica, esta última dificultando a

formação de cavaco durante a operação de usinagem. O encruamento do material

provoca uma camada de alta resistência que se opõe ao avanço da ferramenta,

enquanto que a baixa condutibilidade térmica não permite uma adequada dissipação

do calor que é gerado pelo atrito na interface metal/ferramenta, resultando em

aquecimento da região de corte. (Infomet)

A figura 1 a seguir mostra uma comparação da usinabilidade relativa entre os

tipos de aços inoxidáveis. Nota-se a superioridade dos aços ferríticos e

martensíticos em relação aos outros aços.

Figura 1 – Comparação da usinabilidade relativa entre os tipos de aços inoxidáveis.Fonte: www.sandvik.coromant.com

Entre os aços inoxidáveis, as ligas austeníticas estão entre as mais difíceis de

se usinar e sua usinabilidade é bastante diferente da usinabilidade dos aços

carbonos e outras ligas. Dentre os fatores que promovem a sua baixa usinabilidade

se destacam a sua ductilidade e a sua capacidade de encruar muito rapidamente.

(Souza e Silva e autores, pg. 6)

O endurecimento por encruamento nos aços inoxidáveis durante a usinagem

se dá pela transformação da austenita, que é uma fase mole, em martensita, uma

fase extremamente dura e resistente. Nesta condição, o endurecimento produz

superfícies duras e cavacos duros, os quais por sua vez, levam ao desgaste tipo

entalhe. Também pode ocasionar no rompimento do material da cobertura e do

substrato da aresta, resultando em lascamento e acabamento superficial pobre.

(Souza e Silva e autores, pg. 6 e Sandvik)

É recomendado o uso de arestas vivas com uma geometria positiva, com

corte sob a camada endurecida e profundidade de corte constante. (Sandvik)

Além dos fatores citados acima, outras características que dificultam a

usinagem deste tipo de aço são: alto coeficiente de atrito, que gera aumento do

esforço e do calor; alto coeficiente de dilatação térmica e elevada tensão de ruptura.

(Camargo, 2008, pg. 5)

O aumento do teor de inclusões não metálicas e do tamanho do grão

austenítico também diminuem a usinabilidade desses aços. (Camargo, 2008, pg. 5)

Devido à grande resistência à deformação desses aços, há uma elevação da

força específica de corte, sendo que a máquina-ferramenta deve ser suficientemente

rígida para suportar o esforço. O aumento do teor de carbono favorece a formação

de carbonetos complexos estáveis que dificultam a usinagem. (Camargo, 2008, pg.

5)

Dentre os fatores que dificultam a usinagem dos aços inoxidáveis

austeníticos, se destacam: grande desgaste das ferramentas e baixa qualidade de

acabamento superficial; quebra do cavaco, causando congestionamento de centros

de usinagem; baixas velocidades de corte levando a baixa produtividade. (Camargo,

2008, pg. 5)

Geralmente, uma condição de baixas dureza, resistência e ductilidade

melhoram a usinabilidade. Porém os aços inoxidáveis austeníticos no estado

solubilizado (recozido) apresentam alta taxa de encruamento e alta ductilidade. O

trabalho a frio reduz ainda mais a usinabilidade, como mostra na figura 2.

Figura 2 – Efeito da redução a frio na usinabilidade de um aço AISI 304Fonte: (Camargo, 2008, pg. 7)

A presença de inclusões influencia a usinabilidade de acordo com a sua

composição. Os óxidos, principalmente a alumina, são duros e abrasivos, e,

portanto, prejudicam a usinabilidade. (Camargo, 2008, pg. 7)

A usinabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos pode ser melhorada através

de alguns métodos. O método mais conhecido e utilizado é a adição de enxofre ao

aço, promovendo a formação de sulfetos de manganês na matriz, que são maiores e

mais globulares, sendo mais benéficos para a vida da ferramenta do que os

menores e mais alongados; contudo, provoca queda da plasticidade a quente do

aço, além de provocar queda da resistência à corrosão. Inclusões como esta têm um

efeito positivo lubrificando na aresta de corte e facilitam a quebra do cavaco na zona

de cisalhamento. (Camargo, 2008, pg. 7 e 8)

A figura 3 mostra o aumento do número de peças usinadas e da penetração

da broca causada pelo aumento da usinabilidade pela adição do enxofre.

Figura 3 – Efeito do teor de enxofre na usinabilidade do AISI 304Fonte: (Camargo, 2008, pg. 9)

2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

As peças utilizadas para o estudo da seleção de ferramentas são

apresentadas a seguir.

Figura 4 – Peça 1

A sequência de usinagem da peça 1 é descrita a seguir:

Rebaixo de 5 mm em formato retangular com raio de 10 mm com uma fresa

com 20 mm de diâmetro;

Rebaixo de 15 mm em formato circular com diâmetro de 90 mm com a

mesma fresa utilizada no rebaixo anterior;

Oito furos de 10 mm de diâmetro com broca escalonada de 10x15 mm.

Quatro furos de 19 mm de diâmetro com broca escalonada de 19x25 mm.

Figura 5 – Peça 2

A sequência de usinagem da peça 2 é descrita a seguir:

Com uma ferramenta de facear: usinar a face, desde o chanfro de 3x45º, mais

o diâmetro de 19 mm até o ressalto com diâmetro de 25 mm (dois passes);

Com uma ferramenta de sangramento: cortar o tarugo na dimensão de 65

mm.

2.1 SELEÇÃO DAS FERRAMENTAS

A seguir são apresentadas as ferramentas e suas respectivas características

para as duas peças.

2.1.1 Peça 1

Para os furos foram selecionadas brocas escalonadas com seus respectivos

diâmetros. A broca escalonada para o furo de 10x25 mm tem suas características

apresentadas a seguir.

...

Para os rebaixos de 5 e 15 mm foi selecionada uma fresa com 20 mm de

diâmetro, com características apresentadas a seguir.

Figura 6 – Fresa para o rebaixo de 5mm da peça 1.Fonte: ISCAR

As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.

Tabela 3 – Propriedades da pastilha.

Classe Material Vel. de corte Fz (min) Fz (max)

M 14 Aço inox austenítico 83-138 m/mm 0.10 0.25

Para o cálculo da rotação da máquina se utiliza a seguinte expressão:

n=1000 vπd

n=r otações por minuto ;

v=v elocidade decorte ( mmin ) , é tabelada ;

d=d iâmetro da fresa.

n=1000.110

π 19→n=1842 RPM

Para o cálculo do avanço da mesa se utiliza a seguinte expressão:

f=fz . n. k

f z=( mmaresta ) , é tabelado ; n=RPM ;

k=número dearestas da fresa.

f=0,15.1842 .2→f=552mm/min

2.1.1 Peça 2

A ferramenta para o faceamento da peça 2 tem suas características

apresentadas a seguir.

Figura 7 – Fresa para a operação de faceamento da peça 2.Fonte: ISCAR

As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.

Tabela 3 – Propriedades da pastilha.

Classe Material Vel. de

corte

Ft (min) Ft (max) Ap

(min)

Ap

(max)

M 14 Aço inox 90-270 0.05 0.20 0.20 2.50

austenítico m/mm

Para o cálculo da rotação da máquina se utiliza a seguinte expressão:

n=1000 vπd

n=1000.110

π 19→n=1842 RPM

Para o cálculo do avanço da mesa se utiliza a seguinte expressão:

f=fz . n. k

f=0,15.1842 .2→f=552mm/min

A ferramenta de sangrar tem suas características apresentadas a seguir.

Figura 8 – Ferramenta de sangrar.Fonte: ISCAR

As propriedades da pastilha são descritas na figura e na tabela a seguir.

Figura 8 – Ferramenta de sangrar.Fonte: ISCAR

Tabela 3 – Propriedades da pastilha.

Classe Material Vel. de

corte

Ft (min) Ft (max) Ap

(min)

Ap

(max)

M 14 Aço inox

austenítico

52-138

m/mm

0.08 0.20 - -

2.1.3 Torneamento

Para a usinagem da peça 2 são utilizados dois tipos de fresas. Uma fresa

iniciando na parte superior da peça, fazendo o desbaste de 45º e seguindo com o

desbaste da face exterior até o ressalto inferior, a 5 mm da parte inferior da peça. As

características desta fresa se encontram na figura a seguir.

Figura 7 – Fresa para o desbaste da peça 2.Fonte: ISCAR

As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.

Tabela 3 – Propriedades da pastilha.

Classe Material Vel. de

corte

Ft (min) Ft (max) Ap

(min)

Ap

(max)

M 14 Aço inox

austenítico

100-240

m/mm

0.05 0.20 0.20 2.50

A Outra fresa que faz o sangramento de 90º do ressalto inferior da peça têm

suas propriedades descritas a seguir.

Figura 7 – Fresa para a operação de sangramento da peça 2.Fonte: ISCAR

As propriedades da pastilha são descritas na tabela a seguir.

Tabela 3 – Propriedades da pastilha.

Classe Material Vel. de

corte

Ft (min) Ft (max) Ap

(min)

Ap

(max)

M 14 Aço inox

austenítico

90-270

m/mm

0.05 0.20 0.20 2.50

2.2 PARÂMETROS DE CORTE

Os resultados obtidos foram calculados a seguir para cada tipo de ferramenta

utilizada.

2.2.1 Furação

2.2.1.1 Cálculo para a força de corte

...

2.2.2 Fresamento

2.2.1.1 Cálculo para a rotação da máquina (RPM)

n=1000 vπd

n=1000.110

π 19n=1842RPM

2.2.1.2 Cálculo para o avanço da mesa

f=fz . n. k f=0,15.1842 .2 f=552mm /min

2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASTM, Properties and Selection: Irons Steels and High Performance Alloys,

Edition 1993.

CAMARGO, Robson; Verificação da Usinabilidade dos Aços Inoxidáveis

Austeníticos através do Processo de Furação, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE

CAMPINAS, 2008.

CHIAVERINI, Vicenti. Aços e ferros fundidos. São Paulo, SP: Ed. Associação

Brasileira de Metalurgia e Materiais, 1996.

ISO M Aços inoxidáveis. Disponível em:<

http://www.sandvik.coromant.com/pt-pt/knowledge/materials/workpiece_materials/

iso_m_stainless_steel/pages/default.aspx > Acesso em: 25 ago. 2014.

Usinabilidade dos aços inoxidáveis, Infomet. Disponível em:<

http://www.infomet.com.br/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?

cod_tema=9&cod_secao=10&cod_assunto=79&cod_conteudo=114 > Acesso em: 25

ago. 2014.

Manual técnico do aço inoxidável. Disponível em:

<http://www.kloecknermetals.com.br/pdf/3.pdf.> Acesso em: 23 ago. 2014.

SOUZA E SILVA, C. Flávia. PEREIRA, A. Janaína. FERREIRA, C. M. Camila.

SILVA, B. Márcio; Análise do torneamento do aço inoxidável abnt 304 através da

temperatura do cavaco, UNIVERSIDADE DEFERAL DE UBERLÂNDIA.

STEEL CASTINGS HANDBOOK, Supplement 2, Edition 1999.